(水力学)-流体力学实验(1)

土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告

壹、静水压强实验

一、实验目的

1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验证静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数（即z?2、学习利用U形管测量液体密度。

3、建立液体表面压强p0?pa，p0?pa的概念，并观察真空现象。 4、测定在静止液体内部A、B两点的压强值。

p。 ?C）

?g二、实验原理

在重力作用下，水静力学基本方程为：

z?p?C ?g它表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点对同一基准面的z与之和为常数。

重力作用下，液体中任何一点静止水压强

p两项?gp?p0??gh，

p0为液体表面压强。

p0?pa为正压；p0?pa为负压，负压可用真空压强pv或真空高度hv表示：

pv?pa?pabs hv?pv ?g重力作用下，静止均质液体中的等压面是水平面。利用互相连通的同一种液体的等到压面原理，可求出待求液体的密度。

三、实验设备

在一全透明密封有机玻璃箱内注入适量的水，并由一乳胶管将水箱与一可升降的调压筒相连。水箱顶部装有排气孔k1，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。若在U形管压差计所装液体为油，?油??水，通过升降调压筒可调节水箱内液体的表面压强，如图1-1所示。

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测压板K2调压筒KK3A123456油密闭水箱B 图 1—1

四、实验步骤

1、熟悉仪器，测记有关常数。

2、将调压筒旋转到适当高度，打开排气阀k1，使之与水箱内的液面与大气相通，此时液面压强p0?pa。待水面稳定后，观察各U形压差计的液面位臵，以验证等压面原理。

3、关闭排气阀k1，将调压阀升至某一高度。此时水箱内的液面压强p0?pa。观察各测压管的液面高度变化并测记液面标高。 4、继续提高调压筒，再做两次。

5、打开排气阀k1，使之与大气相通，待液面稳定后再关闭k1（此时不要移动调压筒）。

6、将调压筒降至某一高度。此时p0?pa。观察各测压管的液面高度变化，并测记标高，重复两次。

7、将调压筒升至适当位臵，打开排气阀k1，实验结束。

五、注意事项

1、升降调压筒时，应轻拉轻放，每次调压高度不宜过大。

2、在测记测压管液面标高时，一定要待液面稳定后再测读数。若p0未变而测压管水面持续变化时，则表明阀门漏气，应采取修复措施。

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六、思考题

1、什么情况下3、4两根测压管的高度相同？ 2、液面标高?4??3与?6??5相等吗？为什么？ 3、调压筒的升降为什么能改变容器的液面压强p0？ 4、实验时，密封容器内的水面能不能低于A点，为什么？

贰、流线演示实验

一、实验目的

1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边

界条件下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。

2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。

二、实验设备和仪器

流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以流动演示仪为例加以说明。

图 2-1 为流动演示仪的示意图，该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流线。整个仪器有不同的单元组成。每个单元都是一套独立的装臵，可以单独使用，亦可同时使用。

三、实验步骤

（一）、操作程序

1、接通电源，打开开关。 2、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。

（二）演示内容

Ⅰ型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装臵能十分清楚地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状态分离状况及卡门涡街现象。

1、驻点：观察流经圆柱前

端驻点处的小气泡运动特性，可 图 2-1 了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。

2、边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离

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点的位臵及分离后的回流形态。

3、卡门涡街：即圆珠柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游。

Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。

该桥墩为圆头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡街，并可观察水流绕过机翼时的运动状态。

Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。 1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界层层分离而产生明显的漩涡。

2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有一小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。

Ⅳ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。 2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。

3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很不畅顺，回流区范围较广。

四、注意事项

此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示更清晰。

五、思考题

1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？ 2、指出演示设备中的急变流区。

3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？

4、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？

叁、能量(伯努利)方程实验

一、实验目的

1、观察恒定流的情况下，当管道断面发生改变时水流的位臵势能、压强势能、动能的沿程转化规律，加深对能量方程的物理意义及几何意义的理解。

2、观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。 3、掌握急变流断面压强分布规律。

4、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。

二、实验原理

实际液体在有压管道中作恒定流动时，其能量方程如下：

2p1?1v12p2?2v2z1???z2???hw

?g2g?g2g它表明：液体在流动的过程中，液体的各种机械能（单位位能、单位压能和单位

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动能）是可以相互转化的。但由于实际液体存在粘性，液体运动时为克服阻力而

要消耗一定的能量，也就是一部分机械能转化为热能而散逸，即水头损失。因而机械能应沿程减少。

对于均匀流和渐变流断面，其压强分布符合静水压强分布规律：

z?p?C或p?p0??gh ?g但不同断面的C值不同。

图 3—1

对于急变流，由于流线的曲率较大，因此惯性力亦将影响过水断面上的压强分布规律：

上凸曲面边界上的急变流断面如图 3—1(a),离心力与重力方向相反，所以

p动?p静。

下凹曲面边界上的急变流断面如图 3—1(b),离心力与重力方向相同，所以

p动?p静。

三、实验设备

实验设备及各部分名称如图3—2所示。

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五、注意事项

1．在用升降机调节槽底坡度时，注意坡度指示器所指明的角度，不能过量，否则易于损坏机械。

2．水槽及闸门均用有机玻璃制作，在调节闸门开度时，不宜用力过大，以免损伤设备。

六、思考题

1. 影响临界水深hc的因素有哪些?

2. 根据实测流量、槽宽，应用分段法计算Ml型和M2型水面线数据，并与实测值进行比较，分析产生差异的原因。

3. 根据实测流量、槽宽，应用分段法计算M1型S2型水面线数据。并与实测值进行比较，并分析产生差异的原因。

2. 实验结果

1) 根据实测数据，画出各种水面曲线及其衔接情况。

2) 根据底坡、流量和水槽糙率，判别各槽中应出现的水面线型式，并与实测情况相比较。同时根据上槽、下槽的底坡大小与闸门开度的大小，判别上下游水面线的衔接型式，与实测结果相比较。

3) 对上述比较中有不一致的情况，应进行分析并说明影响因素。

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